DE102006043279A1

DE102006043279A1 - Hydrophile Schicht an einem Strömungsfeld zum Wassermanagement in PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102006043279A1
Application number: DE102006043279A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Rochester Hills Vyas; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Thomas A. Trabold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: US8211592B2; DE102006043279B4; JP2007095677A; CN1941477B; US20080044715A1; CN1941477A

Abstract

Es ist ein Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle vorgesehen, die eine Hauptfläche, die zu einer Membranelektrodenanordnung (MEA) weist, und ein oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der MEA aufweist. Ein oder mehrere Gebiete der Hauptfläche sind mit einer superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht, die ein Fluorpolymer umfasst, bedeckt. Es sind auch Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fluidverteilungselements vorgesehen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Brennstoffzelle und insbesondere ein Strom leitendes Fluidverteilungselement in einer Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Erzeugen des Strom leitenden Elements.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für elektrische Fahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden und einer Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen den Elektroden schichtartig angeordnet ist. Wasser wird an der Kathodenelektrode auf Grundlage der elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA auftreten, erzeugt. Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen, beispielsweise um einen Transport von Wasser weg von Erzeugungsstellen an der Kathode zu steuern, um zu verhindern, dass ein Wasseraufbau Strömungskanäle blockiert und die Brennstoffzelle geflutet wird.

Im Betrieb einer Brennstoffzelle bei Niedrigleistungslasten kann sich Produktwasser in den Kanälen der Reaktandenströmungsfelder insbesondere an der Kathodenseite ansammeln. Eine Wasseransammlung kann zu einer blockierten Fluidströmung (so genanntes "Fluten") führen, was potentiell zu einer Instabilität eines Abschnitts einer Brennstoffzelle führt. Es sind verschiedene Mittel entdeckt worden, um dieses potentielle Problem zu umgehen, und haben die Änderung der physikalischen Eigenschaften der Kanäle, insbesondere der Kanalgeometrie einschließlich der Größe und Form umfasst. Somit betrifft eine optimale Brennstoffzellenleistungsfähigkeit ein effizientes Wassermanagement. Es besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Wassermanagement, um eine Brennstoffzellenleistungsfähigkeit, -effizienz wie auch Lebensdauer zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, das umfasst: ein undurchlässiges Element mit einer Hauptfläche, die zu einer Membranelektrodenanordnung (MEA) weist. Ein oder mehrere Gebiete der Hauptfläche sind mit einer superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht bedeckt, die ein Fluorpolymer umfasst.

Bei einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidverteilungselements, das ein oder mehrere Gebiete aufweist, die mit einer hydrophilen polymeren Schicht für eine Brennstoffzelle bedeckt sind. Das Verfahren umfasst, dass Polytetrafluorethylen (PFTE) auf ein oder mehrere Gebiete einer Hauptfläche des Fluidverteilungselements für die Brennstoffzelle aufgebracht wird. Eine Fläche des aufgebrachten Polymers wird behandelt, um dieser eine Hydrophilie zu verleihen.

Bei einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) umfasst.

Das Fluidverteilungselement besitzt eine Hauptfläche, die zu der MEA weist. Die Hauptfläche definiert ein oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der MEA. Zumindest ein Abschnitt der Strömungskanäle ist mit einer hydrophilen korrosionsbeständigen Schicht bedeckt, die Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung eines beispielhaften flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
2 eine isometrische Explosionsdarstellung einer bipolaren Platte ist, die mit PEM-Brennstoffzellenstapeln ähnlich denen verwendbar ist, die in 1 gezeigt sind;
3 eine teilweise Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung in der Richtung 3-3 von 2 ist;
4 eine FTIR-Analyse mit hochauflösendem Abtastfenster eines superhydrophilen Polytetrafluorethylens (PTFE) zur Verwendung in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die einen vergrößerten Abschnitt der bipolaren Platte von 4 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Um einen stabilen PEM-Brennstoffzellenbetrieb über einen breiten Bereich von Lasten und Betriebsbedingungen zu erreichen, ist es notwendig, eine Fluidströmung und insbesondere eine Flüssigkeitsströmung in einer Brennstoffzelle richtig zu managen. Beispielsweise wird durch die kathodische Sauerstoffreduzierungsreaktion, die während des Betriebs einer elektrochemischen Brennstoffzelle stattfindet, flüssiges Wasser erzeugt, das effektiv umgewälzt und entfernt werden muss, um stabile Reaktionen aufrechtzuerhalten. Ein Schlüsselfaktor in Verbindung mit dem Brennstoffzellenbetrieb ist ein Wassertransport und das Verhindern einer unerwünschten Ansammlung von Wasser in einer Brennstoffzelle. Somit ist die Fähigkeit, Wasser von Strömungsfeldkanälen bei verschiedenen Niveaus von Gasgeschwindigkeiten und Betriebsbedingungen auszustoßen, wichtig für Brennstoffzellenbetriebsabläufe. Beispielsweise trägt bei Niederlastbedingungen nahe 0,1 A/cm² eine Wasseransammlung in "U-Biegungen" und Kurven des Strömungsfeldes zu einem Zellenverhalten mit schlechter Leistung bei. Dies führt dazu, dass eine oder mehrere Zellen in einem Stapel einem rapiden Spannungsabfall ausgesetzt sind. In diesem Fall ist die Gasträgheit nicht ausreichend, um große Flüssigkeitspfropfen um 180°-Biegungen in Richtung der Kathodenaustragssammelleitung auszustoßen. Diese potentielle Ansammlung kann darin resultieren, dass die gesamten Kanäle an Sauerstoff verarmen. Um derartige Probleme zu berücksichtigen, betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidverteilungselement, das ein Strömungsfeld mit Strömungskanälen aufweist, die eine hohe freie Oberflächenenergie (hydrophil) besitzen, die in Verbindung mit der Kanalgeometriekonstruktion Brennstoffzellenbetriebsabläufe verbessert, indem Wasser effektiv entfernt wird, um eine stabile Leistung bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
Eine Flüssigkeitsansammlung, wie hier beschrieben ist, ist im Wesentlichen eine Ansammlung von flüssigem Wasser, das hauptsächlich an der Kathode gebildet wird. Ein Wassermanagement kann auch ein Problem an der Anodenseite beispielsweise aufgrund eines elektroosmotischen Mitführens über die Membran sein. Die vorliegende Erfindung sieht ein Strom leitendes Fluidverteilungselement (beispielsweise eine bipolare Platte oder eine Anschlussplatte) zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vor, die ein verbessertes Wassermanagement wie auch eine exzellente Stabilität und Korrosionsbeständigkeit in einer Brennstoffzelle besitzt. Das Element besitzt bevorzugt eine Hauptfläche, die ein darin geformtes Fluidströmungsfeld aufweist, und eine stark hydrophile korrosionsbeständige Schicht, die ein Fluorpolymer umfasst, das ein oder mehrere Gebiete des Strömungsfeldes bedeckt oder auf ein oder mehrere Gebiete des Strömungsfeldes aufgebracht ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert die hydrophile korrosionsbeständige Schicht ein Wassermanagement und daher die Lebensdauer der Brennstoffzelle, indem eine Flüssigkeits ansammlung an dem bzw. den beschichteten Gebiet(en) des Strömungsfeldes im Vergleich zu der Flüssigkeitsansammlung über ein unbeschichtetes Gebiet der Fläche reduziert wird. Ferner ist die hydrophile Schicht gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hoch stabil und inert in der rauen Brennstoffzellenumgebung, so dass sie korrosionsbeständig ist und weiter zu einer verlängerten Lebensdauer der Brennstoffzelle beiträgt.
Der Begriff "hydrophil", der hier verwendet ist, ist eine relative Materialeigenschaft im Vergleich zu einem Referenzmaterial und gehört zu einer Oberflächeneigenschaft, bei der sich Wasser leicht auf der Oberfläche ausbreitet. Eine "Benetzbarkeit" bzw. "Befeuchtbarkeit" ist ein Prozess, bei dem ein Fluid ein anderes an einer festen Oberfläche verdrängt, wie beispielsweise Wasser, das Luft verdrängt. Die Benetzbarkeit einer Oberfläche wird durch die Messung des Kontaktwinkels oder des Winkels, der an der Kontaktlinie zwischen einem Tropfen und einer Fläche gebildet wird, kategorisiert. Bei Kontaktwinkeln von weniger als 90 Grad wird eine Oberfläche als hydrophil betrachtet und bei denjenigen von größer als 90 Grad wird sie als hydrophob betrachtet.
Der Einfluss der Rauhigkeit auf die Benetzbarkeit hängt davon ab, ob die Substratoberfläche hydrophob oder hydrophil ist. Bestimmt durch das Gesetz von Wenzel, das Fachleuten bekannt ist, wird, wenn eine Oberfläche aufgeraut ist, der Kontaktwinkel oder die Benetzbarkeit modifiziert. Wenn die Rauhigkeit zunimmt, steigt die Benetzbarkeit für hydrophile Flächen und nimmt umgekehrt für hydrophobe Flächen ab. Somit wird, wenn die Oberfläche rauer gemacht wird, eine hydrophile Oberfläche benetzbarer (der Kontaktwinkel wird verringert). Somit steigert eine stark poröse und raue Oberfläche die hydrophilen Eigenschaften einer hydrophilen Polymeroberfläche weiter.
Kontaktwinkelmessungen von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen erfolgen entweder statisch oder dynamisch. Statische Kontaktwinkel werden typischerweise durch das Verfahren des ruhenden Tropfens gemessen. Dynamische Kontaktwinkel können durch eine Vielzahl gut bekannter Tests gemessen werden; ein derartiger Test ist das Wilhelmy-Verfahren, das eine Tauchmethode verwendet, um Fortschreite- und Rückzugskontaktwinkel zu bestimmen. Statische Kontaktwinkel des Verfahrens des ruhenden Tropfens werden allgemein durch Mitteln der gemessenen Kontaktwinkel auf entgegengesetzten Seiten eines Tropfens bestimmt. Fortschreite- und Rückzugskontaktwinkel werden durch das Wilhelmy-Verfahren bestimmt, bei dem eine Testprobe in eine Flüssigkeit getaucht wird und der Kontaktwinkel aus der Benetzungskraft bestimmt wird, die erhalten wird, wenn die Probe in die Flüssigkeit eingetaucht wird; umgekehrt wird der Rückzugswinkel bestimmt, indem die Testprobe von der Flüssigkeit entfernt wird und die Benetzungskraft bestimmt wird, die erhalten wird, wenn die Probe von der Flüssigkeit entfernt wird. Fortschreite- und Rückzugswinkel können durch die Wilhelmy-Gleichung berechnet werden: cosθ = F_w/1σ, wobei Θ der Kontaktwinkel ist, 1 der Umfang der Testprobe ist, σ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist und F_w die Wilhelmy-Kraft ist, die allgemein als die Differenz zwischen der Gesamtkraft, die auf die Probe bei einer beliebigen Eintauchposition wirkt, und der Auftriebskraft betrachtet wird.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt ein "superhydrophiles" Fluorpolymer bevorzugt einen statischen Kontaktwinkel von weniger als etwa 45°, bevorzugter weniger als etwa 30° und noch bevorzugter weniger als etwa 20°. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen besitzt ein superhydrophiles Fluorpolymer einen statischen Kontaktwinkel von weniger als oder gleich etwa 15°. Bei einigen Ausführungsformen besitzt ein superhydrophiles Fluorpolymer einen statischen Kontaktwinkel von weniger als oder gleich etwa 10°. Ähnlicherweise besitzt ein superhydrophiles Polymer gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt sowohl Fortschreite- und Rückzugskontaktwinkel – gemessen unter Verwendung des Wilhelmy-Platten-Verfahrens – von weniger als etwa 45°, bevorzugt weniger als etwa 30°, bevorzugt weniger als oder gleich etwa 20°, bevorzugt weniger als oder gleich etwa 15° und noch bevorzugter weniger als oder gleich etwa 10°. Beispielsweise besitzt ein bevorzugtes Polymer zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung einen statischen Kontaktwinkel von 15°, einen Fortschreitekontaktwinkel von 7° und einen Rückzugskontaktwinkel von 0°, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist eine beispielhafte Brennstoffzelle, bei der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, in 1 gezeigt, die zwei einzelne Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen zeigt, die verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 und Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte oder ein leitendes Element 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die in einem Stapel nicht in Reihe verschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 8 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 20, 21 in dem Stapel, wobei jede aktive Seite 20, 21 zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die so genannte "bipolare" Platte. Wie hier beschrieben ist, ist der Brennstoffzellenstapel mit leitenden bipolaren Platten dargelegt.
Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmanschlussplatten 10, 12 und Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsflächen oder -seiten 20, 21 der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 23 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ und O₂) an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Zusätzliche Schichten aus leitenden Medien 43, 45 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel bei normalen Betriebsbedingungen komprimiert wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 14, 16 werden an die Diffusionsmedien 34, 43 bzw. 40, 45 gepresst.
Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Luft an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert werden und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 41 für beide H₂-O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50 ist vorgesehen, um Kühlmittel von einem Speicherbereich 52 durch die bipolare Platte 8 und Endplatten 14, 16 und aus der Austragsverrohrung 54 heraus umzuwälzen.
Im Brennstoffzellenbetrieb wird das Anodenwasserstoffgas (H₂) in zwei Protonen (H⁺) aufgespalten, wodurch zwei Elektronen freigesetzt werden. Die Protonen wandern über die Membran der MEA 4, 6 an die Kathodenseite. Der Sauerstoff oder die Luft, die an die Kathodenseite eingeführt werden, strömen in die poröse Elektrode. Katalysatorpartikel in der Kathode erleichtern eine Reaktion zwischen den Protonen (H⁺) und Sauerstoff (O₂), um Wasser in der Elektrode zu bilden. Somit muss, wenn flüssiges Wasser erzeugt wird, die Gasströmung in das poröse Kathodenmaterial gleichzeitig aufrechterhalten werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Elektrode mit Flüssigkeit "geflutet" wird. Das Fluten beeinträchtigt eine Gasströmung zu der PEM durch die MEA 4, 6, wodurch tatsächlich jegliche Reaktionen, die an der MEA 4, 6 stattfinden, verringert oder beendet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht das Fluidverteilungselement benachbart zu der Kathode vor, das einen Wasser- und Kathodenabflusstransport weg von der Kathode erleichtert, während ferner die PEM befeuchtet wird und bei einigen Ausführungsformen die Brennstoffzelle sogar gekühlt wird. Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein erstes Fluidverteilungselement an der Kathodenseite einer MEA 4, 6 vor, die eine hydrophile Schicht besitzt, und ein zweites Fluidverteilungselement an einer Anodenseite der MEA 4, 6 besitzt auch hydrophile Schichten, um ein Wassermanagement auf beiden Seiten der MEA 4, 6 zu verbessern.
2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 56, die eine erste Außentafel 58, eine zweite Außentafel 60 und eine Innenabstandhaltertafel 62 zwischen der ersten Tafel 58 und der zweiten Tafel 60 umfasst. Die Außentafeln 58, 60 sind so dünn wie möglich (beispielsweise etwa 0,002-0,02 Zoll dick) ausgebildet, die durch Stanzen bzw. Prägen, durch Photoätzen (d.h. durch eine photolithografische Maske) oder durch einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech oder Formen von Polymermatrizen geformt werden können. Die Außentafel 58 besitzt eine erste Hauptfläche 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass eine Vielzahl von Stegen 64 vorgesehen wird, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die Strömungskanäle oder ein "Strömungsfeld" sind, durch das die Reaktandenfluide der Brennstoffzelle (beispielsweise H₂, Luft oder O₂) in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen.
Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an die Kohlenstoff/Graphitpapier-Gasdiffusionsmedien (wie 36 oder 38 in 1) gepresst, die ihrerseits an die MEAs (wie 4 bzw. 6 in 1) gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen 64 und Nuten 66. In Wirklichkeit bedecken die Stege und Nuten 64, 66 die gesamten Außenflächen der Tafeln 58, 60, die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an die Nuten 66 von einer Sammelleitung oder Verteilernut 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammelleitung/Verteilernut 74, die benachbart der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle gelangt. Ein Kühlmittelkanal 78 liegt unter jedem Steg 64, während eine Reaktandengasnut 66 unter jeder Rippe 76 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Tafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenfläche 61 (d.h. Kühlmittelseite) der Tafel 60 ist in 2 gezeigt.
3 zeigt eine Vielzahl von Rippen 80, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die ein Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt. Die Außenseite der Tafel 60 besitzt eine Hauptfläche 63 mit einer Vielzahl von Stegen 84 darauf, die eine Vielzahl von Nuten 86 oder Strömungskanälen definieren, durch die die Reaktandengase gelangen. Eine Innenabstandhaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58, 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Tafel 60 und denn Kanäle 78 in der Tafel 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz bewirkt wird, was den Wärmeaustausch mit Innenflächen 90, 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert.
Wie für Fachleute offensichtlich ist, können die Fluidverteilungselemente/Stromkollektoren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Konstruktion von den oben beschriebenen abweichen, wie beispielsweise bei der Konstruktion der Strömungsfelder, der Anordnung und Anzahl von Fluidlieferverteilern und dem Kühlmittelumwälzsystem, wobei jedoch die Funktion des Fluidtransports und der Leitung von elektrischem Strom durch die Oberfläche und den Körper des Stromkollektors bei allen Konstruktionen ähnlich funktioniert. Die beispielhafte Strömungskanalgeometrie ist halbkreisförmig; in der Praxis kann diese Geometrie beispielsweise quadratisch, rechtwinklig, dreieckig sein oder andere Variationen desselben aufweisen, die durch verfügbare Herstellprozesse vernünftig erreicht werden können.
Typischerweise lassen auf Grundlage der Geometrie Kanäle mit geraden Strömungspfaden einen geringeren Differenzdruck über das Strömungsfeld im Vergleich zu komplexen und gewundenen Strömungsmustern zu.
Obwohl die Gasströmungsfeldkanäle 66, 86 lineare Reihen umfassen können, können bestimmte Konstruktionen nichtlineare Kanäle erfordern, insbesondere, wenn eine größere Fluidturbulenz und ein größeres Mischen erforderlich ist. Diese komplexen Strömungsfelder werden typischerweise ausgebildet, um Leitungen für drei Fluide (Wasserstoff, Luft und Kühlmittel) aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich, wenn ein Element komplexe Strömungsfeldkanalmuster 66, 86 aufweist (beispielsweise serpentinenartige Strömungsfeldmuster mit "U-Biegungen" und Kurven). Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wasseransammlung zu verringern und somit ein Verstopfen der Gasströmungsfeldkanäle 66, 86 zu verhindern.
Somit werden gemäß der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Gebiete der Strömungskanäle oder -nuten 66, 86 der Hauptflächen 59, 63 der bipolaren Platte mit einer superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht 130 bedeckt. Die vorliegende Erfindung ist auch auf andere leitende Elemente in einer Brennstoffzelle anwendbar, die mit Fluiden in Kontakt stehen, wie Anschlusskollektorendplatten, ähnlich den beispielhaften, die in 1 mit 10 oder 12 gezeigt sind. Die superhydrophile korrosionsbeständige Schicht 130 wird bevorzugt auf einem oder mehreren Gebieten der Fläche 59, 63 abgeschieden, bevorzugt entsprechend den Nuten 66, 86, die den Strömungskanälen oder Abschnitten der Strömungskanäle in dem Strömungsfeld entsprechen. Es ist bevorzugt, dass die Polymerschicht 130 an den elektrisch leitenden Stegen 64, 84 minimiert oder nicht vorhanden ist.
Bevorzugte Aufbaumaterialien für die Separatorplatte 56 des Fluidverteilungselements umfassen leitende Metalle, wie beispielsweise rostfreien Stahl, Aluminium und Titan. Beispielhafte geeignete Materialien sind 316L, 317L, 256 SMO, Carpenter 20, Inconel 601, Alloy 276 und Alloy 904L. Die bipolaren Platten können auch aus Polymermatrizen aufgebaut sein, wie denjenigen beispielhaften bipolaren Platten aus Polymerverbundstoff, die in den U.S.-Veröffentlichungsnummern 2004/0253505 von Blunk et al. und 2005/0001352 von Chen-Chi Martin Ma, et al. wie auch dem U.S. Patent Nr. 6,248,467 von Wilson et al. offenbart sind, die hier alle in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Die Betriebsbedingungen in einer Brennstoffzelle sind häufig rau und stark korrosiv. In einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung stehen die bipolaren Platten und anderen Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3-5), die F-, SO₄ ²-, SO₃-, HSO₄-, CO₃2- und HCO₃-, etc. enthalten. Überdies arbeitet die Kathode in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf ein Maximum von etwa + 1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert ist, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Schließlich ist die Anode konstant superatmosphärischem Wasserstoff ausgesetzt. Daher müssen Kontaktelemente und Polymerbeschichtungen in der Brennstoffzelle gegenüber Säuren, Oxidation, wie auch Wasserstoffversprödung in der Brennstoffzellenumgebung beständig sein. Eine bekannte superhydrophile Beschichtung ist Siliziumdioxid; jedoch kann sie potentiell an einem Säureangriff (HF) in der Brennstoffzelle Schaden nehmen und sich potentiell mit der Zeit verschlechtern. Fluorpolymere, insbesondere Fluorkohlenwasserstoffpolymere, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) sind inert, stabil und korrosionsbeständig in einer Brennstoffzellenumgebung; jedoch sind derartige Fluorpolymere typischerweise sehr hydrophob.
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung erscheint es, dass extrem hydrophile Flächen in Strömungsfeldern von Fluidverteilungselementen vorteilhaft sind, da sie einen Wasserfilm mit sehr niedrigem Profil entlang der Oberfläche erleichtern. Dieses niedrige Wasserprofil ist beson ders bei niedrigen Fluiddurchsatzbedingungen vorteilhaft und verhindert Pfropfen mit hohem Profil, die potentiell die Kanäle blockieren und potentiell die Kathode fluten. Somit ist bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein bislang hydrophobes Fluorpolymer oberflächenmodifiziert, um es stark hydrophil zu machen, während es dennoch seine poröse Morphologie, Inertheit und Korrosionsbeständigkeit in der Brennstoffzellenumgebung beibehält. Eine derartige Oberflächenmodifikation des hydrophoben Fluorpolymers wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
Somit ist bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das superhydrophile Polymer ein Fluorpolymer, das bevorzugt die Hydrophilie des bzw. der beschichteten Gebietes) erhöht (beispielsweise die Oberflächenenergie erhöht), um eine Flüssigkeitsansammlung zu verringern, wenn Fluid durch das Strömungsfeld strömt, im Vergleich zu dem Grad an Flüssigkeitsansammlung in dem Strömungsfeld, wenn es unbeschichtet wäre.
Zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignete Fluorpolymere schließen jedes Polymer ein, welches als angefügte Gruppe Fluor enthält. Typische Fluorpolymere schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Homologe und Derivate von Polytetrafluorethylen, fluorierten Ethylen-Propylen-Copolymeren, Tetrafluorethylen, PFA-Perfluoralkoxyharz, modifizierte Copolymere von Ethylen und Tetrafluorethylen und dergleichen. Andere beispielhafte Fluorpolymere sind solche Polymere, welche aus perfluorierten α-Fluorolefinmonomeren enthaltend Wasserstoffatome sowie Fluoratome hergestellt werden. Das α-Fluorolefin weist zwei bis sechs Kohlenstoffatome auf. Typische α-Fluorolefine umfassen, sind aber nicht beschränkt auf perfluorierte α-Fluorolefine, wie beispielsweise Tetra fluorethylen, Hexafluorpropen, Perfluorobuten-1, Perfluoroisobuten und dergleichen, und Wasserstoff enthaltende α-Fluorolefine, wie beispielsweise Trifluorethylen, Vinylidenfluorid, Vinylfluorid, Pentafluorpropan und dergleichen, sowie Halogen enthaltende α-Fluorolefine, wie beispielsweise Trifluorchlorethylen, 1,1-Difluor-2,2-dichlorethylen, 1,2-Difluor-1,2-dichlorethylen, Trifluorbromethylen und dergleichen, sowie Perfluoralkoxyethylenpolymere.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein besonders bevorzugtes Polymer für die superhydrophile korrosionsbeständige Schicht Polytetrafluorethylen (PTFE) und dessen Derivate. PTFE ist kommerziell von E. I. DuPont De Nemours & Company in Wilmington, Delaware als das Produkt TEFLON^® verfügbar. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein stark poröses PTFE erwünscht. Um eine Porosität aufzubringen, kann PTFE expandiert werden oder kann einen hohen Grad an Vernetzung durch Verzweigung besitzen, wie es in der Technik gut bekannt ist. Eine Porosität wird auch durch physikalische Verfahren einer Bestrahlung, wie einem Laserstrahl aus präzisen Fokalstrahlen vorgesehen. Expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) ist typischerweise mikroporös (d.h. ein Großteil der Poren ist kleiner als 2 nm) und seine Charakteristiken sind in dem U.S. Patent Nr. 3,953,566 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das superhydrophile Polymer der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt so gewählt, dass seine Integrität bei Temperaturen bis zu etwa 200°C beibehalten wird.
Sofern es nicht anderweitig angegeben ist, betrifft der Begriff "Porengröße" einen durchschnittlichen oder mittleren Wert, der sowohl die inneren als auch äußeren Porendurchmessergrößen umfasst. Die Begriffe "Pore" und "Poren" betreffen Poren mit verschiedenen Größen, einschließlich so genannter "Makroporen" (Porengröße von größer als 50 Nanometer (nm) Durchmesser), "Mesoporen" (Porengrößen mit einem Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und "Mikroporen" (Porengrößen von weniger als etwa 2 nm oder 20 Angström Durchmesser). Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das superhydrophile Polymer, das die Schicht bildet, bevorzugt stark porös. Bevorzugt besitzt die Polymerschicht mehr als 40 % Poren, bevorzugter mehr als 50 % Poren, bevorzugter mehr als 60 % Poren und bevorzugter mehr als 70 % Poren. Bei bestimmten Ausführungsformen liegt die Porosität des superhydrophilen Polymers zwischen etwa 70 bis etwa 85 % Porosität.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Fluorpolymer oberflächenmodifiziert, um eine Hydrophilie aufzubringen. Beispielsweise modifiziert eine Plasmaaktivierung unter Verwendung nicht Polymer bildender Gase wie Sauerstoff, Ammoniak, Stickstoff und/oder gesättigte Fluorkohlenstoffe, chemisch eine Polymersubstratoberfläche. Die Plasmaaktivierung einer Fluorpolymersubstratoberfläche mit Sauerstoffgas kann beispielsweise in dem Austausch von Fluoratomen von der Substratoberfläche mit Sauerstoff resultieren, um die Benetzbarkeit dieser Oberfläche zu steigern. Das reaktive Gasplasma modifiziert bevorzugt die Fluorpolymeroberfläche durch die chemische Reaktion des Plasmas mit den Fluorpolymeroberflächen und nicht aus dem elektrischen Feld, das durch Ionenbeschuss von Hochenergiepartikeln in dem Gebiet einer Kathode des Plasmagenerators erzeugt wird.
Auf eine solche Art und Weise kann ein Fluorpolymerausgangsmaterial permanent durch Substitution eines Anteils der ursprünglichen Fluorfunktionalität mit sauerstoff- und/oder wasserstoffhaltigen Gruppen modifiziert werden, die direkt an die Kohlenstoffpolymerhauptkette kova lent gebunden sind. Durch Regeln von Mengen und Verhältnissen von Kohlenstoff, Fluor, Sauerstoff und Wasserstoff in dem modifizierten Polymer kann die Oberflächenenergie von derjenigen des ursprünglichen Materials zusammen mit der Benetzbarkeit erhöht werden, ohne die ursprüngliche Oberflächenmorphologie (beispielsweise Porosität) des Polymers, wie auch die Massencharakteristiken (beispielsweise Inertheit) des Polymers materiell zu ändern. Beispielsweise sind durch die Plasmabehandlung die Fluorpolymerzusammensetzungen dahingehend einmalig, da eine steuerbare Menge von etwa 1 bis etwa 98 % der Fluoratome der Oberflächengrenzfläche des Ausgangspolymers dauerhaft entfernt und durch Wasserstoffatome und Sauerstoffatome oder sauerstoffhaltige Funktionalitäten mit niedrigem Molekulargewicht ersetzt wird, so dass derartige Substituenten direkt kovalent an die Polymerkette der Kohlenstoffhauptkette bis zu einer gewünschten Tiefe in die Masse der Polymerschicht während der Behandlung, wie 0,01 μm, angebunden sind. Eine Sauerstofffunktionalität kann die Form von Oxo, Hydroxyl, Alkoxy, wie Methoxy, Ethoxy und Propoxy oder R'--CO-- oder deren Kombinationen annehmen, wobei R' Wasserstoff oder Alkyl und insbesondere ein niedrigeres C₁-C₅ Alkyl ist, einschließlich Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl und so weiter. Zusätzlich können die funktionellen Gruppen einige stickstoffhaltige Gruppen enthalten. Bei bestimmten Ausführungsformen erzeugt die Oxidation eine oder mehrere polare funktionelle Gruppen, die aus der Gruppe gewählt sind: Hydroxylgruppen, Carbonylgruppen und deren Mischungen. Im Wesentlichen wird angenommen, dass die Oberflächenabwandlung, um eine Hydrophilie zu verleihen, eine stark oxidierte Oberfläche des Polymers erzeugt, an der Sauerstoff einen Anteil der Fluoratome bis zu einer gewissen Tiefe ersetzt. Ferner erzeugt die Oxidation auch andere Änderungen an der Chemie des Fluorpolymers, wie eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung, was ähnlicherweise die Hydrophilie steigert.
Demgemäß werden die porösen Fluorpolymere durch Oberflächenmodifikation mit Plasmabehandlung superhydrophil gemacht und weisen eine weit größere Oberflächenbenetzbarkeit und Steigerung der freien Energie auf, während die inerten Eigenschaften des Polymers wie auch die mikrostrukturelle Morphologie, beispielsweise Membranstruktur, Porengröße, Oberflächenrauheit in einem molekularen Maßstab, etc. dennoch im Wesentlichen erhalten werden.
Bei einer Ausführungsform ist das oberflächenmodifizierte poröse superhydrophile Polytetrafluorethylen kommerziell von Advantec MFS, Inc. in Dublin, Kalifornien als H050A047A, ein hydrophiles Polytetrafluorethylen, erhältlich. Dieses Material ist stark porös und besitzt eine Porosität von etwa 50-60 % mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,5 μm und weist einen statischen Kontaktwinkel von 15° und dynamische Fortschreite- und Rückzugswinkel des Kontaktwinkels von 7° und 0° (Wilhelmy-Verfahren) auf. Es wurden Hochauflösungsfensterabtastungen von den C 1 s und F 1 s Photoelektronenspitzen durch röntgenstrahlangeregte Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemacht. In Tabelle 1 wurden die Advantec-Probe des superhydrophilen oberflächenmodifizierten PTFE-Materials, das als Beispiel 1 bezeichnet ist, und ein hydrophobes herkömmliches PTFE (TEFLON^®, das von W. L. Gore erhältlich ist), das als Kontrolle bezeichnet ist, getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Die nachfolgend angegebenen Atomprozentsätze schließen Wasserstoff (H) aus.
Tabelle 1
Die Ergebnisse zeigen, dass das hydrophile Beispiel 1 erhöhten Kohlenstoff und Sauerstoff und verringertes Fluor gegenüber der Kontrolle besitzt, was die Oxidation und Substitution von Sauerstoff für Fluor zeigt, die nach der Plasmabehandlung auftritt. Die Abtastergebnisse der Vermessung von Carbon 1s für die Kontrolle und das modifizierte PTFE sind in 4 gezeigt. Die für CF₂ eingestellten Spitzen treten bei etwa 292,48 eV auf. Die C-C-Spitzen treten bei etwa 258,388 eV auf. Die C-O-Bindungsspitzen treten bei etwa 286,972 eV auf. Wie beobachtet werden kann, besitzt die Kontrolle, die ein herkömmliches hydrophobes PTFE ist, vorwiegend C-F-Bindung mit einer kleinen Menge an C-C-Bindung. Jedoch ist das Carbon-1s-Profil von oberflächenmodifiziertem PTFE von Beispiel 1 chemisch erheblich verschieden und zeigt ein erheblich höheres Niveau an C-O- und C-C-Bindung, was die chemische Modifikation und Oxidation demonstriert, die durch Plasmaaktivierung an der Oberfläche auftritt.
Es wurde auch eine Vergleichs-FTIR-Analyse für Beispiel 1 und die Kontrolle über eine abgeschwächte Totalreflexion (ATR) durchgeführt. Das IR-Spektrum zeigte, dass die Oberflächeneigenschaften des modifizierten PTFE starke Bänder von PTFE und schwache Bänder von Hydroxylgruppen und anderen funktionellen Komponenten besaßen. Jedoch zeigte das IR-Spektrum von der Masse des Materials nur PTFE-Bänder, wodurch angezeigt wird, dass Modifikationen nur entlang der Oberfläche auftreten.
Die Oberflächenbehandlung kann durch die Dauer der Behandlung gesteuert werden. Der oberflächenmodifizierte Abschnitt der Schicht erstreckt sich bis zu einer vorbestimmten Tiefe (beispielsweise 0,1 μm) in die Masse der Polymerschicht.
Die vorliegenden Erfindung sieht auch eine Brennstoffzelle vor, die ein undurchlässiges elektrisch leitendes Fluidverteilungselement aufweist, das eine superhydrophile korrosionsbeständige Schicht besitzt, die ein Fluorpolymer entlang eines oder mehrerer Gebiete umfasst. Die Brennstoffzelle enthält das Fluidverteilungselement, das ein Fluidströmungsfeld definiert, wobei das Strömungsfeld zu einer Membranelektrodenanordnung (MEA) weist und sich benachbart zu einem Gasdiffusionsmedium befindet. Zumindest ein Gebiet der Hauptfläche des Fluidverteilungselements besitzt die hydrophile Beschichtung an dem Strömungsfeld, das gegenüber einer Flüssigkeitsansammlung anfällig ist. Die vorliegende Erfindung sieht eine hydrophile Beschichtung an der Strömungsfeldoberfläche vor, um eine Entfernung von Wasser zu unterstützen und eine stabile Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beizubehalten, d.h. die hydrophile Beschichtung erlaubt, dass die Brennstoffzelle ohne Fluten arbeitet, indem die Bildung dünner Wasserfilme begünstigt wird, die die Reaktandengasströmungen nicht signifikant beeinträchtigen.
Die Beschichtung kann in einer beliebigen Dicke aufgebracht werden, die effektiv ist, um einen Fluidtransport in dem Strömungsfeld zu unterstützen, jedoch liegt die superhydrophile Schicht bevorzugt zwischen etwa 50 nm bis etwa 200 μm und bevorzugter zwischen etwa 100 nm bis etwa 200 nm. Die 3 und 5 zeigen die korrosionsbeständige hydrophile Schicht 130, die an der Hauptfläche 132 in dem Strömungskanal 131 abgeschieden ist. Die Schicht 130 kann eine oder mehrere getrennte Schichten umfassen, um diese Dicke zu erreichen. Die Schicht 130 kann an einem ersten Gebiet mit einer ersten Dicke und an einem zweiten Gebiet mit einer zweiten Dicke abgeschieden werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Dicke der Schicht 130 so gewählt, dass die gewünschte freie Oberflächenenergie und Hydrophilie beibehalten wird, während der Brennstoffzelle kein überschüssiges Material und Gewicht hinzugefügt wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidverteilungselements, das ein oder mehrere Gebiete aufweist, die mit einem hydrophilen Polymer bedeckt sind, für eine Brennstoffzelle vor. Das Verfahren umfasst, dass ein Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Polymer auf ein oder mehrere Gebiete einer Hauptfläche des Fluidverteilungselements für die Brennstoffzelle aufgetragen wird. Das Verfahren umfasst auch, dass eine Oberfläche des Polymers behandelt wird, um diesem eine Hydrophilie zu verleihen.
Das Polymer oder ein Polymervorläufer kann auf ein oder mehrere Gebiete der Oberfläche des Fluidverteilungselements aufgebracht werden. Polytetrafluorethylen wird durch Additionspolymerisation von Tetrafluorethylenmonomeren gebildet. Die Polymerisation der Fluorpolymermonomere kann durch Aufbringen von Wärme, Plasma, Bestrahlung oder über Suspensions- oder Emulsionspolymerisation erreicht werden. Beispielsweise können Gasplasmen mit ungesättigtem Fluorkohlenstoff verwendet werden, um eine Fluorkohlenstoffschicht auf einem Substrat abzuscheiden und zu polymerisieren. Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Polymer stark porös ist, was durch Erhitzen und physikalisches Dehnen eines PTFE-Films; durch Verzweigungsmittel, die ein Vernetzen unterstützen; oder durch Bestrahlungstechniken erreicht werden kann. Somit kann bei bestimmten Ausführungsformen das Auftragen des Polymers durch Abscheiden des Polymervorläufers oder von Monomeren durch Schleuder beschichten, Sprühen, Tauchen, Aufstreichen, Lösungsgießen, plasma- oder ionenunterstützte Chemical Vapor Deposition oder Siebdrucken erfolgen. Bei Ausführungsformen, bei denen ein Vorläufer abgeschieden wird, kann dieser nach dem Abscheiden an dem Fluidverteilungselement darauf polymerisiert werden. Die aufgetragene Monomer/Polymervorläufermischung kann polymerisiert werden, um die Polymerschicht zu bilden, indem Strahlung, Wärme und/oder Plasma angewendet wird, um die Beschichtungsschicht chemisch an die Plattenoberfläche zu binden und gleichzeitig die gewünschte stark poröse Morphologie vorzusehen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Auftragen und Polymerisieren eines PTFE-Vorläufers. Das Auftragen und Polymerisieren kann gleichzeitig durch plasmaunterstützte Chemical Vapor Deposition (CVD) durchgeführt werden.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Polymerschicht als ein diskreter Film (beispielsweise durch Lösemittelgießen, Extrusion, etc.) vorgeformt und dann auf das eine oder die mehreren Gebiete der Arbeitsfläche 59, 63 des Kontaktelements 58, 60 beispielsweise durch Heißwalzen laminiert werden.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung betreffen ferner eine Oberflächenmodifikation oder -behandlung des PTFE/ePTFE, um die Hydrophilie der Polymerschicht zu steigern. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Hydrophilie durch Aufbringen nicht thermischer Energie, wie einer Behandlung mit Plasma, auf die Oberfläche, auf die die Polymerschicht aufgetragen ist, erreicht. Eine Plasmaaktivierung wird mit nicht Polymer bildenden Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Wasserstoff, Methan oder gesättigten Fluorkohlenstoffen verwendet, um eine Substratoberflächen chemisch zu modifizieren. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Plasmabehandlung in einer Atmosphäre ausgeführt, die ein oder mehrere aus Sauerstoff, Ammoniak und Stickstoff umfasst. Die Plasmaaktivierung einer Fluorpolymersubstratoberfläche mit Sauerstoffgas kann beispielsweise in dem Austausch von Fluoratomen von der Substratoberfläche gegen Sauerstoff resultieren, um die Hydrophilie der Oberfläche zu steigern, wie vorher oben beschrieben wurde.
Generatoren für nicht thermische Energie umfassen beispielsweise einen Entladungsgenerator mit dielektrischer Barriere, einen Plasmagenerator vom gepulsten Koronaentladungstyp, einen Plasmagenerator mit stiller Entladung, Hochfrequenz, Mikrowellengenerator, Heißfadenplasmagenerator oder deren Kombinationen. Das Plasma wird vorteilhafterweise entweder durch ein Hochfrequenz-(HF)-Feld oder durch Mikrowellenenergie erzeugt, die mit der Eigenresonanzfrequenz von Plasmaelektronen in einem statischen Magnetfeld gekoppelt ist. Ein Niedertemperaturplasma kann durch Aufbringen einer Spannung bei Gasdrücken zwischen etwa 50 mtorr bis etwa 5 torr erhalten werden. Die Elektroden können externe oder interne parallele planare Elektroden sein. Die energetische Entladungsumgebung ist ausreichend, um Gasmoleküle in Elektronen, Ionen, Atome, freie Radikale und Moleküle in Grund- und angeregten Zuständen zu spalten. Die Nettowirkung der Wechselwirkung bewirkt eine Polymerisation der Monomere und chemische Bindung an die Oberfläche der Platte.
Wenn die Beschichtung durch ein Verfahren aufgetragen wird, das zur Folge hat, dass die Beschichtung auf Stegen des Strömungsfeldes aufgetragen ist, kann die Beschichtung dünn genug sein, um zu ermöglichen, dass ein Strom hindurchfließt. Optional kann das Polymer, das auf die Stege aufgebracht ist, beispielsweise mit einer Rakel vor der Polymerisation entfernt werden oder die Beschichtung kann von den Stegen nach der Polymerisation abgeschliffen werden. Alternativ dazu können die Stege vor der Aufbringung des Polymers, wo das Polymer abgeschieden wird, maskiert werden. Somit werden bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vor dem Aufbringen des Polymers gewählte Gebiete, die von dem einen oder den mehreren Gebieten, bei denen das Polymer auf die Hauptfläche aufgebracht wird, verschieden sind, maskiert. Wie in 5 gezeigt ist, werden bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gewählte Gebiete 133 der leitenden Substratelementfläche 59, 61 maskiert. Die Polymerschichtgebiete 130 werden somit nur auf die gewünschten nicht maskierten Flächen, die den Kanälen 131 entsprechen, aufgebracht, während die Stege 132, die unter der Maskierung liegen, unbeschichtet bleiben. Bei derartigen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass bestimmte gewählte Gebiete 133, wie die Stege 132 (so wie 64 oder 84 in 4) maskiert werden. Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Abschnitte des leitenden Substrats (beispielsweise der bipolaren Platte 56) vor dem Aufbringen des Polymers maskiert werden können. Nach dem Aufbringen der Polymerschicht 130 können die Maskierungen entfernt werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner ein Entfernen der Maskierung von den gewählten Gebieten 133 nach der Behandlung und anschließend weiter ein Aufbringen einer elektrisch leitenden Beschichtung – korrosionsbeständigen Beschichtung 134 auf die gewählten (vorher maskierten) Gebiete 133. Die Stege 132 oder andere maskierten Bereiche können dann optional mit einer Beschichtung 134 beschichtet werden, die elektrisch leitend, oxidationsbeständig und säurebeständig ist. Derartige Beschichtungen 134 können eine Polymermatrix oder verschiedene Metalle umfassen, die nicht gegenüber Korrosion und Oxidation anfällig sind. Derartige Metalle umfassen Edelmetalle, wie Gold (Au), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt), Osmium (Os) und derglei chen. Andere Metalle umfassen diejenigen, die Chrom (Cr), Titan (Ti) oder Zinn (Sn) umfassen. Elektrisch leitende Verbindungen, die derartige Metalle umfassen, enthalten beispielsweise Chromnitrid (CrN), dotiertes Zinnoxid (SnO) und dotiertes Titanoxid (TiO). Korrosionsbeständige elektrisch leitende Polymermatrixfilme, die zum Bedecken der Stege oder leitenden Bereichen der leitenden Elemente geeignet sind, umfassen diejenigen, die in den U.S. Patent Nrn. 6,372,376 von Fronk et al.; 6,887,613 von Lee et al.; und U.S.-Patentveröffentlichungs-Nr. 2004/0091768 von Abd Elhamid et al. gezeigt sind, die alle hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind und allgemein verschiedene leitende Partikel offenbaren, wie Carbon Black und Graphit, die in Polymerbindern dispergiert sind, wie Polyamid, Polyimid, Polyamidimid und Polyvinylester.
Brennstoffzellenanordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, sind hoch effizient und besitzen eine verbesserte Leistungsfähigkeit mit einer gesteigerten Niedrigleistungsstabilität wie auch eine verbesserte Zellenleistungsfähigkeit und -haltbarkeit. Die beschichtete bipolare Platte, die in einer Separatoranordnung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle verwendet wird, sieht ein integriertes und verbessertes Wassermanagement vor. Derartige Wassermanagementfunktionen umfassen: die Bewegung von Wasser weg von den feuchten Bereichen der Kathodenseite der Brennstoffzelle, wo es als ein Produkt in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird; die Bewegung von Wasser weg von den feuchten Bereichen der Anodenseite der Brennstoffzelle, wo es als Folge von Kondensation von Wasser von dem Reaktandengasstrom oder durch Rückdiffusion vorhanden sein kann, die aus einem Wasserkonzentrationsgradienten über die MEA resultiert; das Verhindern eines Wasseraufbaus in irgendwelchen Kurven oder Biegungen in dem Strömungsfeld durch Verringerung einer Fluidansammlung; und einen vollständigeren internen Transport von Wasser an beliebige relativ trocke ne Bereiche entlang der Kathoden- und/oder Anodenseite. Auf diese Weise sieht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Haltbarkeit wie auch eine Abnahme der Gefahr einer Materialdegradation in der Brennstoffzelle vor. Ferner sind die superhydrophilen Beschichtungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch in der Brennstoffzelle inert und besitzen nicht das Potential, die MEA zu kontaminieren, und schützen ferner das darunter liegende Substrat des Fluidverteilungselements vor Korrosion. Die vorliegende Erfindung sieht Brennstoffzellen mit langer Lebensdauer und hohem Wirkungsgrad vor.
Die Beschreibung der obigen Ausführungsformen und Verfahren ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, mit: einem undurchlässigen Element, das eine Hauptfläche aufweist, die zu einer Membranelektrodenanordnung (MEA) weist, wobei ein oder mehrere Gebiete der Hauptfläche mit einer superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht, die ein Fluorpolymer umfasst, bedeckt sind.
Element nach Anspruch 1, wobei die Hauptfläche ein oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der MEA definiert und das eine oder die mehreren Gebiete, die mit der superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht bedeckt sind, den Strömungskanälen entsprechen.
Element nach Anspruch 2, wobei die Hauptfläche mit einer Vielzahl von Nuten und Stegen gemustert ist, und der eine oder die mehreren Strömungskanäle den Nuten entsprechen, wobei ein oder mehrere der Stege mit einer elektrisch leitenden korrosionsbeständigen Beschichtung bedeckt sind.
Element nach Anspruch 1, wobei die superhydrophile korrosionsbeständige Schicht einen statischen Kontaktwinkel von weniger als oder gleich etwa 20° besitzt.
Element nach Anspruch 1, wobei das Fluorpolymer Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.
Element nach Anspruch 5, wobei das PTFE oberflächenmodifiziert ist.
Element nach Anspruch 6, wobei das oberflächenmodifizierte PTFE an einer oder mehreren Oberflächen stark oxidiert ist.
Element nach Anspruch 6, wobei das oberflächenmodifizierte PTFE eine oder mehrere funktionelle Gruppen aus Hydroxylgruppen und Carbonylgruppen besitzt.
Element nach Anspruch 1, wobei die superhydrophile korrosionsbeständige Schicht porös ist.
Element nach Anspruch 9, wobei die Schicht Poren mit einer Durchschnittspore zwischen etwa 0,05 bis etwa 5 μm besitzt.
Element nach Anspruch 9, wobei die Schicht eine Porosität von größer als 40 % besitzt.
Verfahren zum Herstellen eines Fluidverteilungselements, das ein oder mehrere Gebiete aufweist, die mit einer hydrophilen Polymerschicht bedeckt sind, für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Polymer, das Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst, auf ein oder mehrere Gebiete einer Hauptfläche des Fluidverteilungselements für die Brennstoffzelle aufgebracht wird; und eine Oberfläche des Polymers behandelt wird, um dieser eine Hydrophilie zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aufbringen umfasst, dass zunächst ein PTFE-Vorläufer abgeschieden wird und anschließend der PTFE-Vorläufer polymerisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Abscheiden und das Polymerisieren durch plasmaunterstützte Chemical Vapor Deposition (CVD) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Behandeln durch Plasmabehandlung erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Plasmabehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die ein oder mehrere aus Sauerstoff, Ammoniak und Stickstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor dem Aufbringen gewählte Gebiete, die von dem einen oder den mehreren Gebieten der Hauptfläche verschieden sind, maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei nach dem Behandeln die Maskierung von den gewählten Gebieten entfernt wird und ferner eine elektrisch leitende Beschichtung – korrosionsbeständige Beschichtung auf die gewählten Gebiete aufgebracht wird.
Brennstoffzelle mit: einer Membranelektrodenanordnung (MEA); einem Fluidverteilungselement, das eine Hauptfläche aufweist, die zu der MEA weist, wobei die Hauptfläche einen oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der MEA definiert, wobei zumindest ein Abschnitt der Strö mungskanäle mit einer hydrophilen korrosionsbeständigen Schicht, die Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst, bedeckt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei die Schicht, die das PTFE umfasst, oberflächenmodifiziert und porös ist, um dieser eine Hydrophilie zu verleihen.